Sensitivity analysis of QRA to the occurrence frequencies of top-events: a case study

L’obiettivo del lavoro di tesi è stato quello di valutare la sensitività dell’analisi quantitativa del rischio (QRA, Quantitative Risk Analysis) alla frequenza di accadimento degli scenari di rilascio delle sostanze pericolose ovvero dei top-events. L’analisi di rischio è stata condotta applicando, ad uno stabilimento a rischio di incidente rilevante della Catalogna, i passaggi procedurali previsti dall’istruzione 14/2008 SIE vigente in quella regione. L’applicazione di questa procedura ha permesso di ottenere le curve isorischio, che collegano i punti attorno allo stabilimento aventi lo stesso valore del rischio locale. Le frequenze base dei top-events sono state prese innanzitutto dalla linea guida BEVI, e successivamente ai fini dell’analisi di sensitività, sono stati considerati sia i valori forniti da altre 3 autorevoli linee guida sia i valori ottenuti considerando incrementi delle frequenze base del 20%, 30%, 50%, 70%, 200%, 300%, 500%, 700%, 1000%, 2000%, 3000%, 4000%, 5000%. L’analisi delle conseguenze è stata condotta tramite i software EFFECTS ed ALOHA, mentre ai fini della ricomposizione del rischio è stato utilizzato il codice RISKCURVES. La sensitività alle frequenze dei top-events è stata valutata in termini di variazione del diametro massimo delle curve isorischio, con particolare attenzione a quella corrispondente a 10-6 ev/anno, che rappresenta il limite di accettabilità del rischio per la pianificazione territoriale nell’intorno dello stabilimento. E’ stato così dimostrato che l’estensione delle curve isorischio dipende in maniera molto forte dalla frequenza dei top-events e che l’utilizzo di dati di frequenza provenienti da linee guida diverse porta a curve isorischio di dimensioni molto differenti. E’ dunque confermato che la scelta delle frequenze degli scenari incidentali rappresenta, nella conduzione dell’analisi di rischio, un passaggio delicato e cruciale.

Multivariate analysis to discriminate top quark pair production channels at LHC

Il quark top è una delle particelle fondamentali del Modello Standard, ed è osservato a LHC nelle collisioni a più elevata energia. In particolare, la coppia top-antitop (tt̄) è prodotta tramite interazione forte da eventi gluone-gluone (gg) oppure collisioni di quark e antiquark (qq̄). I diversi meccanismi di produzione portano ad avere coppie con proprietà diverse: un esempio è lo stato di spin di tt̄, che vicino alla soglia di produzione è maggiormente correlato nel caso di un evento gg. Uno studio che voglia misurare l’entità di tali correlazioni risulta quindi essere significativamente facilitato da un metodo di discriminazione delle coppie risultanti sulla base del loro canale di produzione. Il lavoro qui presentato ha quindi lo scopo di ottenere uno strumento per effettuare tale differenziazione, attraverso l’uso di tecniche di analisi multivariata. Tali metodi sono spesso applicati per separare un segnale da un fondo che ostacola l’analisi, in questo caso rispettivamente gli eventi gg e qq̄. Si dice che si ha a che fare con un problema di classificazione. Si è quindi studiata la prestazione di diversi algoritmi di analisi, prendendo in esame le distribuzioni di numerose variabili associate al processo di produzione di coppie tt̄. Si è poi selezionato il migliore in base all’efficienza di riconoscimento degli eventi di segnale e alla reiezione degli eventi di fondo. Per questo elaborato l’algoritmo più performante è il Boosted Decision Trees, che permette di ottenere da un campione con purezza iniziale 0.81 una purezza finale di 0.92, al costo di un’efficienza ridotta a 0.74.

Tecniche di apprendimento automatico per la ricerca di eventi top-top con l’esperimento ATLAS a LHC

Il Modello Standard è attualmente la teoria che meglio spiega il comportamento della fisica subnucleare, includendo la definizione delle particelle e di tre delle quattro forze fondamentali presenti in natura; risulta però una teoria incompleta sulle cui integrazioni i fisici stanno lavorando in diverse direzioni: uno degli approcci più promettenti nella ricerca di nuova fisica risulta essere quello delle teorie di campo efficaci. Il vertice di interazione del processo di produzione di coppie di quark top dello stesso segno a partire da protoni è fortemente soppresso nel Modello Standard e deve quindi essere interpretato con le teorie di campo efficaci. Il presente elaborato si concentra su questo nuovo approccio per la ricerca di quark top same-sign e si focalizza sull’utilizzo di una rete neurale per discriminare il segnale dal fondo. L’obiettivo è capire se le prestazioni di quest’ultima cambino quando le vengono fornite in ingresso variabili di diversi livelli di ricostruzione. Utilizzando una rete neurale ottimizzata per la discriminazione del segnale dal fondo, le si sono presentati tre set di variabili per l’allenamento: uno di alto livello, il secondo strettamente di basso livello, il terzo copia del secondo con aggiunta delle due variabili principali di b-tagging. Si è dimostrato che la performance della rete in termini di classificazione segnale-fondo rimane pressoché inalterata: la curva ROC presenta aree sottostanti le curve pressoché identiche. Si è notato inoltre che nel caso del set di variabili di basso livello, la rete neurale classifica come input più importanti gli angoli azimutali dei leptoni nonostante questi abbiano distribuzioni identiche tra segnale e fondo: ciò avviene in quanto la rete neurale è in grado di sfruttare le correlazioni tra le variabili come caratteristica discriminante. Questo studio preliminare pone le basi per l’ottimizzazione di un approccio multivariato nella ricerca di eventi con due top dello stesso segno prodotti a LHC.

Phenomenology of top-philic axion-like particles

Axion like particles (ALPs), i.e., pseudo-scalar bosons interacting via derivative couplings, are a generic feature of many new physics scenarios, including those addressing the strong-CP problem and/or the existence of dark matter. Their phenomenology is very rich, with a wide range of scales and interactions being directly probed at very different experiments, from accelerators to observatories. In this thesis, we explore the possibility that ALPs might indirectly affect precision collider observables. In particular, we consider an ALPs that preferably couple to the top quark (top-philic) and we study new-physics 1- loop corrections to processes involving top quarks in the final state. Our study stems from the simple, yet non-trivial observation that 1-loop corrections are infrared finite even in the case of negligible ALP masses and therefore can be considered on their own. We compute the 1-loop corrections of new physics analytically in key cases involving top quark pair production and then implement and validate a fully general next-to-leading-order model in MadGraph5_aMC@NLO that allows to compute virtual effects for any process of interest. A detailed study of the expected sensitivity to virtual ALPs in ttbar production at the LHC is performed.